两级拓扑结构的离网型光伏逆变器设计

摘要：光伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、控制器、逆变器等部件组成。本文针对光伏发电系统中的核心设备——逆变器，介绍了一种离网型逆变器的设计方法。主电路采用两级变换拓扑结构，控制电路选用单片机C8051F330和SG3525作为控制芯片，设计了蓄电池充放电电路、交直流变换电路、电压采集电路和保护电路等单元，并对各单元的控制方式进行了说明，证明了该逆变器适用于离网型光伏发电系统。

引言

光伏发电技术是利用光伏效应将太阳辐射能转变为电能的一种发电方式，伴随着传统能源的枯竭和人们对环保的重视，光伏发电越来越成为未来电力系统发展的主要方向。我国从2008年开始陆续出台了新的能源政策，更使得光伏发电产业如火如荼地发展起来，对光伏发电设备的研究也进入了一个新时期。但是，光伏发电设备本身存在着损耗高、运行效率低等缺点，极大地降低了其应用价值。与此同时，逆变器效率的高低直接影响光电转换效率，而且影响系统其他设备的容量选择与配置。因此，逆变器已成为解决光伏发电系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法对于降低成本、提高发电效率具有极其重要的意义。

本文以光伏离网发电系统的核心设备--逆变器为研究对象，设计了一种基于低成本单片机C8051F330和SG3525集成芯片的离网型光伏逆变器，可以满足户用型小功率场合的需求。该逆变器的优点在于，通过采用高性能单片机，使整机结构简单、效率高、控制灵活，一旦出现故障，容易维修^[1]。

1 系统设计要求

离网型光伏发电系统主要用于无电地区居民家庭的电力供应，它一般由太阳能电池组件、蓄电池、控制器和逆变器这四个部分组成。通常情况下应当具有以下基本功能：1)控制蓄电池充放电，通过对蓄电池输出电压的采样、比较和判断，自动启停蓄电池的充、放电过程，并且可以根据蓄电池的环境温度来调整预定上、下限值;2) 提供DC/AC输出短路保护，一旦短路发生，立即切断振荡信号和电源;3)运行状态指示灯，即指示系统是否处于正常运行工作状态，一旦蓄电池出现过冲或过放，立即报警;4)控制器实现软启动，避免合闸过电流。

上述功能依靠硬件电路设计也可以实现，但存在着控制精度低和调节困难等缺点。本文采用单片机控制，不但克服了上述缺点，而且提供了更多功能，如根据需要设定阈值、电路智能保护、根据阈值进行充放电管理等。

2 系统结构设计

本文设计的离网型光伏逆变器系统结构如图1所示，各部分功能如下：

1)太阳能电池板：吸收太阳能，并将太阳能转化为电能;

2)充、放电控制回路：对蓄电池进行充、放电控制;

3)DC-DC、DC-AC变换电路：将光伏电池产生的直流电进行升压处理，并逆变成所需交流电;

4)驱动电路：产生可靠的控制信号保证主电路功率管正确地导通与截止;

5)电压采样电路：主要完成对蓄电池电压的检测、比较、运算放大等处理，并将其转换成满足C8051F330芯片使用要求的数字信号;

6)辅助保护电路：电路的拓展功能，主要完成过流保护、短路保护、过热保护和过压保护等功能。

本系统由主电路和控制回路两部分构成，其中主电路采用了比较简单的隔离型两级变换拓扑结构，控制回路则是以C8051330单片机和SG3525为控制核心。

3 逆变器主电路设计

常见的逆变器主电路的设计方法有两种：隔离式的逆变器和非隔离式的逆变器，两者的主要区别在于，交流输出端与直流输入端有无变压器。是否需要变压器主要看客户要求，目前行业内通用的做法是：500kW及以上逆变器均未使用隔离变压器，即输出为270V;250kW及以下逆变器均标配隔离变压器，输出为380V。和非隔离式的逆变器相比，隔离式的逆变器具有以下优点：1)实现了直流输入与交流输出的电气隔断，提高了安全性;2)变压器具有变压功能，可以改变输出电压;3)变压器可以衰减逆变器开关器件的电磁噪声，提高电磁兼容性;4)过滤掉了逆变器输出的直流电流，提高了电能质量。

考虑到以上优点，本文选用了简单实用的两级变换拓扑结构，即DC/DC升压变换和DC/AC逆变变换，设计出了一种隔离型逆变器，如图2所示。这种结构的电路运行可靠，控制相对独立，便于系统软件和硬件的模块化设计^[2]。

(1)充电环节

选用阀控式密封铅酸蓄电池，控制芯片C8051F330的一个I/O口输出的控制信号控制MOSFET管Q1的栅极，从而实现蓄电池的充电控制。二极管Dl可以防止蓄电池向光伏电池板反向充电，损坏电池板。

(2)DC/DC部分

本文要求逆变器输入电压为12V直流电，输出电压为220V正弦交流电，因此必须加入升压环节。升压环节是由DC-DC升压电路实现的。本文选用推挽变换电路作为升压电路，推挽变换电路适用于中小功率场合和低压大电流输入，满足本系统要求。推挽变换电路如图2中DC-DC升压电路所示。

MOSFET管V1和V2是由SG3525芯片的两个引脚Output A(脚11)和Output B(脚14)输出的两组PWM控制信号，通过控制使V1、V2以相同的开关频率交替导通，且每个开关管的占空比均小于50%，以留出一定死区时间避免V1和V2同时导通，将直流输入电压转换成高频交流信号。通过变压器传送到次级，再经过全波整流和滤波后得到所期望的直流电压。

(3)DC/AC部分

DC/AC逆变环节的作用是将前级输出的330V直流电逆变成用户终端所需要的220V正弦交流电，供负载使用。常用逆变器的拓扑有单相全桥和单相半桥两种形式，本文选用单相全桥式逆变器完成DC/AC变换，因为全桥比半桥具有更高的直流电压利用率，且电路结构简单、容易控制。

另外，电容C2作为连接升压与逆变的中间环节，作用是减小逆变输入电压的脉动，保证逆变输出稳定的正弦交流电^[3]。

4 控制电路设计

4.1 C8051F330芯片

本文选用的C8051F330芯片是美国Silabs公司生产的一款完全集成的混合信号片上系统型MCU。内置高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核、全速非侵入式的系统调试接口、768字节片内RAM、8KB可在系统编程的FLASH存储器、17个I/O端口、真正带模拟多路器的10位200ksps的16通道单端/差分ADC、高精度可编程的25MHz内部振荡器、4个通用的16位定时器、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、VDD监视器和温度传感器等数字资源。因此，这款芯片可完全满足离网型光伏逆变器的要求。

C8051F330除了具有以上数字资源外，还有几个非常关键的特点。一个是Silicon Labs二线(C2)开发接口，它允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速的在系统调试;一个是优先权交叉开关译码器，它按照预先设定的优先权，灵活地给片内各数字资源分配端口引脚;还有一个是C8051系列的芯片，与8051完全兼容，因此可以很方便地进行开发和应用^[4]。

4.2 SG3525芯片

随着功率MOSFET在开关变换器中广泛使用，美国硅通用半导体公司(Silicon General)推出SG3525。SG3525是电流控制型PWM控制器，用于驱动N沟道功率MOSFET。它的工作电压范围宽：8V~35V;振荡器工作频率范围宽：100Hz~400kHz，并且同时具有振荡器外部同步功能。该芯片另一个重要特点是，可以同时输出两路PWM信号。除此以外，芯片还具有欠电压锁定功能，内置软启动电路和锁存器。它的输出方式为推挽式，不但开关速度更快，而且驱动能力更强。因此，这款芯片是目前比较理想的新型控制器。

图4是SG3525芯片的内部结构。在应用中，SG3525的CT端(脚5)接振荡电容，RT端(脚6)接振荡电阻。Discharge端(脚7)是振荡器放电端，该端与脚5之间外接放电电阻，构成放电回路。输出反馈信号加在误差放大器(EA)的反相端(脚1)，与脚2的参考电压比较后产生误差信号以调制输出信号的脉宽。Output A(脚11)和Output B(脚14)分别是输出端A和B，输出两组PWM信号，用以驱动功放MOSFET，当输人电压或负载发生变化时，PWM信号的脉宽会随之而变，以稳定输出电压。Soft-Start端(脚8)是软启动电容接入端，该端通常接一个电解电容以实现软启动。Shutdown端(脚10)是外部关断信号输入端，连接从MCU送来的控制信号，当过流或短路时该端接高电。OSC.Output端(脚4)振荡器输出被禁止，以实现故障保护。

4.3 控制方案实现

1)蓄电池充、放电控制。MOSFET管Q1的栅极是由C8051F330单片机的一个I/O口输出的控制信号控制。当蓄电池电压低于设定值VD时，MCU跳过PCA，I/O口直接输出高电平信号，打开MOSFET管Q1，使太阳能电池板向蓄电池充电。达到充电电压上限VH后，MCU接入PCA，改为PWM方式充电。充电的脉宽随着蓄电池电压的升高而逐渐变窄。达到充电上限VH后，再次跳过PCA，I/O口输出低电平，关断充电。

2)直流输出控制。直流输出MOSFET管也是由C8051F330单片机的一个I/O口控制。当电压采样电路检测出蓄电池的电压低于欠压限值PD时，MCU输出关断信号，放电停止;当检测出的电压高于恢复限值PG时，MCU输出开启信号，使放电MOSFET导通，开始放电。在PD和PG之间时，MCU的输出保持不变。

3)电压采样电路控制。直流电压选用霍尔传感器进行检测，传感器型号则选用LEM公司型号为LV100的电压传感器，具有精度高、线性度好、频带宽、抗干扰能力强等优点，同时它也是霍尔效应的闭环电压传感器，所以原副边具有非常良好的隔离作用。交流电压传感器的型号为CHV-50P，具有过载能力强、性能稳定可靠、易于安装、原副边电气隔离等优点。不管直流还是交流，传感器的输出信号都需要再经过信号调制电路，以保证最终输出的采样信号正确地输入给控制器。

4)辅助保护电路控制。当检测到短路发生时，立即启动优先级最高的外中断程序，向SG3525的OSC.Output端(脚4)和Shutdown端(脚10)送出短路保护信号，关断振荡器输出。同时，切断为逆变器供电的继电器，使逆变器电源中断^[4]。

5 结语

本文选用单片机C8051F330和SG3525作为控制芯片，设计了主电路为两级变换拓扑结构的离网型光伏逆变器，基本可以满足户用型小功率场合利用太阳能发电的需求。虽然该系统具有结构简单、成本低和易于控制等优点，但从长远看，高集成度的模块化设计、提高逆变器的转化效率和更多级的拓扑结构设计是未来逆变器结构的发展趋势，也是本文作者接下来的研究方向。

参考文献：

[1]赵志强，穆桂霞，赵双喜.新型太阳能逆变控制器研制[J].电力自动化设备，2006，26(8).

[2]李静.太阳能逆变器结构及其控制系统的研究[D].河北工业大学，2009.

[3]李艳梅.200W便携式离网型太阳能光伏逆变器设计[D].湖南大学，2012.

[4]张亦慧.基于C8051和SG3525的太阳能控制-逆变器[J].微电机，2011，44(2)

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第6期第63页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。